荒溝發(fā)電電動(dòng)機(jī)電磁選型和電氣性能研究

林雪成, 佟德利, 王洪瑜, 宋德強(qiáng)

(1.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040；2.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100761；3.黑龍江牡丹江抽水蓄能有限公司，黑龍江 牡丹江157099)

0 引 言

荒溝抽水蓄能電站裝機(jī)容量1 200 MW，共4臺(tái)機(jī)，單機(jī)額定功率為300 MW。該電站開發(fā)的主要任務(wù)為承擔(dān)黑龍江省電網(wǎng)和東北電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻和緊急事故備用，同時(shí)可為系統(tǒng)承擔(dān)調(diào)相和黑啟動(dòng)任務(wù)。為使發(fā)電電動(dòng)機(jī)采用更加合理的出口電壓值，并獲得更優(yōu)的電氣參數(shù),保證荒溝發(fā)電電動(dòng)機(jī)各相性能指標(biāo)滿足技術(shù)規(guī)范要求，該文從發(fā)電電動(dòng)機(jī)電磁參數(shù)選型和部分電氣性能指標(biāo)的分析與計(jì)算出發(fā)，對(duì)電磁設(shè)計(jì)方案的合理性和性能指標(biāo)的可靠性進(jìn)行深入分析[1]。

1 電磁設(shè)計(jì)方案的選擇

1.1 設(shè)備性能

發(fā)電機(jī)工況額定容量、功率：334 MVA、300 MW

電動(dòng)機(jī)工況軸輸出功率：322 MW

額定電壓：18 kV

發(fā)電機(jī)工況功率因數(shù)：0.9

電動(dòng)機(jī)工況功率因數(shù)：0.98

額定頻率：50 Hz

額定轉(zhuǎn)速：428.6 r/min

最大飛逸轉(zhuǎn)速：622 r/min

飛輪力矩GD2：5 750 t·m2

發(fā)電機(jī)工況：俯視順時(shí)針旋轉(zhuǎn)

電動(dòng)機(jī)工況：俯視逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)

1.2 方案選擇

1.2.1 主要尺寸的選擇[2]

定子鐵心內(nèi)徑和定子鐵心長(zhǎng)度是發(fā)電電動(dòng)機(jī)的主要尺寸。通過(guò)對(duì)電負(fù)荷、磁負(fù)荷比選，充分考慮轉(zhuǎn)子磁軛應(yīng)力、電機(jī)飛輪力矩的要求，并結(jié)合廠房實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸限制，選定發(fā)電電動(dòng)機(jī)的主要尺寸為

定子鐵心內(nèi)直徑：5 470 mm

定子鐵心長(zhǎng)度：2 900 mm。

1.2.2 定子支路數(shù)與槽電流的選擇

發(fā)電電動(dòng)機(jī)的磁極數(shù)決定了機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速，不同的磁極數(shù)對(duì)應(yīng)不同的同步轉(zhuǎn)速，且變化是不連續(xù)的。同時(shí)，磁極數(shù)又決定了繞組的可選支路數(shù)。在某一轉(zhuǎn)速下，支路數(shù)的選擇是有局限性的。因此會(huì)出現(xiàn)容量、轉(zhuǎn)速和電壓不匹配的矛盾。根據(jù)交流繞組對(duì)稱性要求，限制繞組并聯(lián)支路數(shù)選擇的主要因素是磁極數(shù)，表1給出抽水蓄能電機(jī)常見(jiàn)并聯(lián)支路數(shù)與極數(shù)、轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

表1 并聯(lián)支路數(shù)與極數(shù)、轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Corresponding relationship between number of parallel branches, number of poles and speed

按傳統(tǒng)電機(jī)繞組設(shè)計(jì)理念，可選擇電機(jī)支路數(shù)影響電機(jī)槽電流。槽電流太小，表明電機(jī)有效材料的利用較差、不經(jīng)濟(jì)，參數(shù)指標(biāo)不好；槽電流太大，將導(dǎo)致銅損及附加損耗增加，從而使槽絕緣溫差增大，電機(jī)冷卻困難。該電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)額定容量為333.3 MVA，額定轉(zhuǎn)速為428.6 r/min，額定電壓為18 kV。必須對(duì)電壓和支路數(shù)作合理的選配，才能獲得經(jīng)濟(jì)合理的電機(jī)。結(jié)合表1，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)可選支路數(shù)為2和7，隨著電機(jī)繞組設(shè)計(jì)理念的進(jìn)步，4支路繞組設(shè)計(jì)技術(shù)逐漸應(yīng)用于這一類機(jī)組中。表2為發(fā)電電動(dòng)機(jī)支路數(shù)與槽電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表2 發(fā)電電動(dòng)機(jī)支路數(shù)與槽電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 2 Corresponding relationship between branch number of generator motor and slot current

從表2可以看出，選擇2支路方案槽電流太高，只適用于定子內(nèi)冷機(jī)組，不可選；選擇7支路時(shí)槽電流偏低，使得電機(jī)利用率低，導(dǎo)致電機(jī)鐵心過(guò)長(zhǎng)、定子槽數(shù)過(guò)多、齒距偏小、定子線棒高寬比偏大、制造難度大等一系列問(wèn)題。尤其是電機(jī)直軸超瞬變電抗值偏小，很難滿足電氣系統(tǒng)的保護(hù)要求。綜合考慮，選擇4支路方案能夠使電機(jī)獲得更好的槽電流，更高的利用率，更優(yōu)良的電氣參數(shù)等指標(biāo)，為最佳選擇方案。

1.2.3 電負(fù)荷與定子槽數(shù)的選擇

電負(fù)荷是發(fā)電電動(dòng)機(jī)選型設(shè)計(jì)主要調(diào)整和控制的參數(shù)之一，它對(duì)電機(jī)的主要尺寸、電氣參數(shù)、定轉(zhuǎn)子繞組溫度都有著直接影響。隨著水電技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前發(fā)電電動(dòng)機(jī)的電負(fù)荷值已較從前大大提高，全空冷機(jī)組的利用系數(shù)以接近10，這在一定程度上可合理控制電機(jī)的主要尺寸，尤其可有效壓縮定子鐵心長(zhǎng)度，提高發(fā)電電動(dòng)機(jī)軸系穩(wěn)定性。表3為定子槽數(shù)與電負(fù)荷的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表3 定子槽數(shù)與電負(fù)荷對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 3 Corresponding relationship between number of stator slots and electrical load

從表3可以看出，選擇240槽及以下時(shí)，其電負(fù)荷最高僅為754 A/cm，造成電機(jī)利用率偏低，導(dǎo)致機(jī)組鐵心長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)。選擇252槽和264槽僅從電負(fù)荷角度來(lái)講是適宜的，且選264槽時(shí)電機(jī)的利用率會(huì)更高一些，鐵心長(zhǎng)度會(huì)更短一些。在鐵心內(nèi)直徑確定的前提下，鐵心長(zhǎng)度減小過(guò)多，容易導(dǎo)致電機(jī)GD2不滿足要求。另外，選擇264槽時(shí)，電機(jī)的每極每相槽數(shù)為6+2/7，電機(jī)接線相對(duì)復(fù)雜，且存在次諧波振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)荒溝項(xiàng)目而言，選擇252槽方案更優(yōu)，每極每相槽數(shù)為整數(shù)6，電機(jī)接線相對(duì)簡(jiǎn)單，不存在次諧波振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，可完全避免了定子產(chǎn)生次諧波振動(dòng)問(wèn)題，而且定子齒距相對(duì)合理，定子線棒的制造和定子繞組的安裝、維護(hù)工藝性更好。

1.3 主要電磁參數(shù)

表4給出了發(fā)電電動(dòng)機(jī)主要電磁參數(shù)設(shè)計(jì)值。

表4 發(fā)電電動(dòng)機(jī)主要電磁參數(shù)設(shè)計(jì)值Table 4 Design values of main electromagnetic parameters of generator motor

2 主要電氣性能指標(biāo)

該文針對(duì)發(fā)電電動(dòng)機(jī)的部分主要電氣性能特性進(jìn)行分析闡述。

2.1 空載線電壓全諧波畸變因數(shù)

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)發(fā)電電動(dòng)機(jī)的空載線電壓全諧波畸變因數(shù)(total harmonic distortion,THD)有著明確的規(guī)定，要求其值不得大于5%。THD偏大，說(shuō)明輸出波形較差、諧波較多，發(fā)電質(zhì)量不好。因此，發(fā)電電動(dòng)機(jī)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)后，一般都要對(duì)THD進(jìn)行綜合分析計(jì)算。對(duì)于本電機(jī)而言，由于采用4支路繞組設(shè)計(jì)方案，線棒節(jié)距選擇整距，控制和優(yōu)化空載線電壓THD非常重要。應(yīng)用有限元電磁計(jì)算軟件進(jìn)行發(fā)電電動(dòng)機(jī)空載線電壓THD分析，三維仿真模型見(jiàn)圖1，計(jì)算結(jié)果如下。

圖1 空載磁場(chǎng)分布三維仿真Fig.1 Three dimensional simulation of no-load magnetic field distribution

發(fā)電電動(dòng)機(jī)空載線電壓全諧波畸變因數(shù)THD計(jì)算值為0.66%，優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 阻尼系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性和瞬態(tài)特性分析

荒溝發(fā)電電動(dòng)機(jī)設(shè)有交、直軸阻尼繞組，可以抑制轉(zhuǎn)子的自由震蕩，提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性[3]。同時(shí)，阻尼系統(tǒng)還可以提高發(fā)電電動(dòng)機(jī)并網(wǎng)能力和承擔(dān)不對(duì)稱負(fù)載的能力。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，不可避免的會(huì)存在某種不對(duì)稱狀態(tài)，這將導(dǎo)致發(fā)電電動(dòng)機(jī)中含有部分負(fù)序電流。尤其在故障不對(duì)稱運(yùn)行工況時(shí)，定子繞組中將產(chǎn)生更大的負(fù)序電流，有可能引起阻尼繞組溫度升高，影響阻尼系統(tǒng)的可靠性。基于此，對(duì)荒溝發(fā)電電動(dòng)機(jī)的阻尼系統(tǒng)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)負(fù)序溫升和瞬態(tài)負(fù)序溫升的核算，結(jié)果如下。

1)穩(wěn)態(tài)工況阻尼繞組溫升。當(dāng)負(fù)序電流的標(biāo)么值為9%時(shí)，阻尼繞組的最高溫升和溫度值分別為54.7 K和107.7 ℃。

2)瞬態(tài)短路工況負(fù)序溫升計(jì)算。當(dāng)電機(jī)定子發(fā)生突然短路時(shí)，阻尼繞組做負(fù)序狀態(tài)運(yùn)行，對(duì)瞬態(tài)過(guò)程中阻尼繞組進(jìn)行溫升計(jì)算，對(duì)應(yīng)額定容量相間不對(duì)稱突然短路的最高溫升和溫度值分別為94.9 K和147.9 ℃；單相對(duì)地不對(duì)稱突然短路的最高溫升和溫度值分別為83.4 K和136.4 ℃。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，在長(zhǎng)期穩(wěn)態(tài)工況不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，阻尼繞組最高溫度為107.7 ℃，不超過(guò)130 ℃；在短時(shí)故障工況不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，阻尼繞組最高溫度為147.9 ℃，不大于220 ℃。結(jié)果表明，荒溝發(fā)電電動(dòng)機(jī)阻尼系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)合理，可靠性較高。

2.3 定子線棒換位方式分析

水輪發(fā)電機(jī)定子線棒多采用羅貝爾換位，這樣可有效降低繞組中各股線間的環(huán)流和熱損耗,減小股線因環(huán)流而產(chǎn)生附加損耗和股線間溫差。應(yīng)用三維電磁場(chǎng)有限元軟件對(duì)荒溝發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子線棒的換位方式、角度、節(jié)距等進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算中充分考慮了集膚效應(yīng)和電密變化的影響。經(jīng)核算，定子線棒需采用不完全換位的最佳換位方式，采用的換位角度為316.22°，換位節(jié)距為44.62 mm。

2.4 誤同期并網(wǎng)分析

為滿足發(fā)電電動(dòng)機(jī)并網(wǎng)要求，需對(duì)發(fā)電電動(dòng)機(jī)進(jìn)行誤同期并網(wǎng)分析計(jì)算。誤同期并網(wǎng)主要分兩種，一種為發(fā)電電動(dòng)機(jī)三相相序與電網(wǎng)相差120°時(shí)的誤同期并網(wǎng)，一種為相差180°時(shí)的誤同期并網(wǎng)。并網(wǎng)操作發(fā)生誤同期狀況時(shí)，發(fā)電電動(dòng)機(jī)三相定子電流IU、IV、IW和電磁轉(zhuǎn)矩Te較正常工況高很多[4]。對(duì)120°和180°誤同期并網(wǎng)工況進(jìn)行瞬態(tài)過(guò)程的仿真分析。計(jì)算中考慮了機(jī)組機(jī)械系統(tǒng)及飽和的影響，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 誤同期并網(wǎng)計(jì)算數(shù)據(jù)Table 5 Missynchronization grid connection calculation data

2.5 繞組端部電動(dòng)力分析

為提高發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)繞組進(jìn)行必要固定。端部固定的設(shè)計(jì)需考慮各種運(yùn)行工況時(shí)所受的電動(dòng)力大小。通常要求發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組端部的支撐系統(tǒng)要具有足夠的剛度和強(qiáng)度,這樣才能確保繞組端部及其連接線牢靠支撐和固定[5]。計(jì)算中進(jìn)行7種不同工況的端部電動(dòng)機(jī)的分析計(jì)算，詳見(jiàn)表6。從表6可以看出，在180°誤同期故障工況時(shí)定子繞組端部所承受的電動(dòng)力最大，達(dá)到42.133 kN。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組端部的固定結(jié)構(gòu)需據(jù)此進(jìn)行設(shè)計(jì)和核算，以滿足機(jī)組安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行要求。

表6 定子繞組端部電動(dòng)力計(jì)算數(shù)據(jù)Table 6 Calculation data of stator winding end electrodynamic force 單位：kN

2.6 短路電流分析計(jì)算

發(fā)電電動(dòng)機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行后，有時(shí)會(huì)發(fā)生短路估重，給機(jī)組本身和電力系統(tǒng)帶來(lái)安全隱患?；诖?，對(duì)荒溝發(fā)電電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了三相突然短路電流的分析計(jì)算，計(jì)算中考慮了參數(shù)飽和的影響。額定容量對(duì)應(yīng)短路電流各分量在不同時(shí)刻的計(jì)算值見(jiàn)表7，圖2為三相負(fù)載突然短路時(shí)電流(標(biāo)幺值)隨時(shí)間變化曲線。

表7 三相突然短路電流分析計(jì)算數(shù)據(jù)Table 7 The data of short circuit current analysis and calculation 單位：kA

圖2 三相負(fù)載突然短路時(shí)電流特性曲線Fig.2 Current characteristic curve of sudden short circuit of three-phase load

突發(fā)短路過(guò)程中，繞組中出現(xiàn)強(qiáng)大的沖擊電流，隨著這一沖擊電流的出現(xiàn)，電機(jī)的繞組端部將承受強(qiáng)大的電磁力作用。該計(jì)算結(jié)果可用于指導(dǎo)開關(guān)和保護(hù)設(shè)備的選擇，并對(duì)發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組端部固定的受力計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 結(jié) 語(yǔ)

荒溝發(fā)電電動(dòng)機(jī)的電磁選型與以往常規(guī)機(jī)組理念不同， 采用非常規(guī)繞組的設(shè)計(jì)方案。根據(jù)發(fā)電

電動(dòng)機(jī)基本參數(shù)要求，對(duì)發(fā)電電動(dòng)機(jī)的主要尺寸、槽電流、支路數(shù)、電負(fù)荷、定子槽數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行綜合分析，并分析計(jì)算主要的電氣性能指標(biāo)。分析計(jì)算結(jié)果表明，采用4支路電磁設(shè)計(jì)方案的各主要參數(shù)合理，各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)良，完全滿足荒溝發(fā)電電動(dòng)機(jī)電氣參數(shù)要求，為確保機(jī)組長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供了技術(shù)保障。